Auswahl einer externen Stromversorgung

Die Wahl eines AC/DC-Netzteils kann eine entmutigende Aufgabe sein. Soll es intern oder extern sein? Wird es konform sein, wenn mein Produkt in andere Regionen der Welt versendet wird? Benötigt mein Medizinprodukt eine Stromversorgung, die den medizinischen Sicherheitsstandards entspricht? Dies sind nur einige der Fragen, die sich Ingenieure stellen könnten, wenn sie sich auf die Stromversorgungsaspekte ihres neuen Produktdesigns konzentrieren.

Bestimmung des erforderlichen Netzteiltyps

Die Entscheidung, ein externes AC/DC-Netzteil auszuwählen, kann auf praktische Platzbeschränkungen innerhalb des Produkts zurückzuführen sein. Je nach Strombedarf können interne Netzteile wertvollen Platz beanspruchen, wodurch das Endprodukt im Vergleich zu anderen Designs auf dem Markt unnötig größer wird als nötig. Die Stellfläche eines Produkts ist für viele Verbraucher von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn es sich auf einer Arbeitsplatte oder neben einem Mediensystem befindet. Die Wahl einer externen Stromversorgung, sei es ein Tischnetzteil oder ein Steckernetzteil (Abbildung 1), kann aus praktischen Gründen eine sinnvolle Wahl sein, da das Endprodukt so klein wie möglich gehalten wird.

Abbildung 1:Die SWI-Produktfamilie von CUI bietet eine kompakte, effiziente und wirtschaftliche Lösung für AC-DC-Wandadapter (Source CUI)

Steckdoseneinheiten eignen sich in der Regel für Produkte, die eine Gleichstromversorgung von wenigen Watt bis zu etwa 50 Watt benötigen. Alles darüber hinaus erfordert eine Desktop-Einheit (Abbildung 2).

Abbildung 2:SDI160G-U und SDI160G-UD bieten 160 W Dauerleistung und erfüllen die Anforderungen von UL/EN/IEC 62368-1 (Quelle CUI)

Der Einfachheit halber entscheiden sich viele Designer dafür, ihr Produkt über eine standardmäßige 5-V-Gleichstromversorgung mit Strom zu versorgen. Auch die Auslegung Ihres Produkts für die gängigen Nennspannungen von 12 VDC, 15 VDC oder 24 VDC erleichtert die Auswahl, da die meisten Hersteller Standardgeräte für diese Spannungen anbieten. Welche Art von Stromeingang beabsichtigen Sie außerdem, in Ihrem Produkt zu verwenden? Ist es standardmäßig oder gegen Aufpreis beim Netzteilhersteller erhältlich? Vergessen Sie nicht, den Spitzenstrombedarf Ihres Designs zu überprüfen, da dieser den Adapter bestimmt, den Sie auswählen müssen. Wenn Sie sich für ein Gerät entscheiden, das nicht genügend Spitzenausgangsleistung bietet, insbesondere solche mit einer induktiven Last wie einem Motor, kann dies zu einer Überhitzung des Netzteils führen, was zu unnötiger Belastung der Komponenten und einer geringeren Produktzuverlässigkeit führen kann. 

Vergleichen Sie Ihre Anforderungen mit den Datenblattspezifikationen

Lesen Sie die Datenblätter potenzieller Netzteile sorgfältig durch, da einige Faktoren möglicherweise nicht so offensichtlich sind wie die Ausgangsspannung und der Nennstrom.

Viele Steckernetzteile bieten einen Gleichstromausgang, der in Bezug auf Masse potentialfrei ist. Diese als Klasse II bezeichneten Netzteile bieten keinen Zugang zu einer Schutzerdungsverbindung. Sie benötigen dafür ein Netzteil der Klasse I, und dies sind in der Regel Tischgeräte.

Andere Spezifikationen, die auf dem Datenblatt zu überprüfen sind, umfassen Leitungsregulierung, Welligkeit und Rauschen, Schutzfunktionen und Zulassungen.

Die Regulierung gibt an, wie nahe ein Netzteil seine Ausgangsspannung an der angegebenen Nennleistung halten kann. Eine angemessene Regelung kann +/- 10 % betragen, aber wenn Ihre Anwendung empfindlich auf Änderungen des Spannungseingangs reagiert, muss diese Funktion weiter berücksichtigt werden. Bei einem Nennausgang von 12 VDC bedeutet eine Regelung von +/- 10 %, dass die Ausgangsspannung von 10,8 VDC bis 13,2 VDC reichen kann. Welligkeit und Rauschen treten normalerweise am DC-Ausgang auf, und auch hier können empfindliche eingebettete Schaltungen anfällig für übermäßiges Rauschen in den Stromleitungen sein. Die Verwendung zusätzlicher Filterkomponenten kann hilfreich sein, aber bedenken Sie, dass diese Ihre Materialkosten erhöhen und wertvollen Platz auf der Leiterplatte belegen.

Prüfen Sie anhand der elektrischen Spezifikationen, welche Schutzarten das Netzteil standardmäßig hat. Ausgangsüberspannung, Ausgangsüberstrom und Übertemperatur sind beliebte Schutzmaßnahmen. Wenn Ihr Produkt jedoch fehlerhaft funktioniert, sollte die Eingangsspannung unter eine bestimmte Spannung fallen, kann eine Unterspannungssperre ebenfalls wichtig sein.

Sicherheits- und Energieeffizienzstandards

Die Zulassungen von Netzteilen beinhalten Aspekte der Sicherheit, Energieeffizienz und elektromagnetischen Verträglichkeit. Die folgenden Normen gelten alle nicht nur für das Netzteil, sondern auch für das daran angeschlossene Produkt insgesamt. Der interne Standard IEC-62368 legt Sicherheitsfaktoren wie die maximal zulässigen Ableitströme und Eingangs-Ausgangs-Isolationsspannungen für Handels-, IT- und AV-Geräte fest. Abbildung 3 veranschaulicht die potenziellen Sicherheitsrisiken und die Anforderungen an die Isolationsprüfung. Die Isolierung verhindert, dass die lebensgefährliche AC-Netzspannung an den DC-Ausgang weitergegeben wird.

Abbildung 3:Anforderungen an den Isolationstest für ein AC/DC-Netzteil (Quell-CUI)

Die IEC-62368 wird im Dezember 2020 in Kraft treten, nachdem sie zuvor durch die beiden Normen IEC-60950 (IT-Systeme) und IEC-60065 (AV-Geräte) bestimmt wurde. Diese Sicherheitsnorm legt auch die Mindestabstände für Spannungsbeanspruchungen innerhalb der Stromversorgung fest, die hinsichtlich Kriechstrecke (der Oberflächenweg zwischen zwei Punkten) und Luftstrecke (der direkten Luftspaltstrecke) spezifiziert sind. Jedes Netzteil, das zur Stromversorgung medizinischer Geräte verwendet wird, die möglicherweise den Patienten berühren, wie z. B. Blutdruckmonitore, Diagnosegeräte oder Oximeter, muss IEC 60601-1 4. Ausgabe entsprechen.

Energieeffizienz ist ein wesentlicher Aspekt jeder Stromversorgung. Die Standards European Ecodesign 2019/1782 und US Department of Energy Level VI legen die durchschnittlichen Mindestanforderungen an die aktive Effizienz fest; der Durchschnitt der Effizienz gemessen bei 25 %, 50 %, 75 % und 100 % Last. Ökodesign erfordert außerdem eine Dokumentation des Wirkungsgrades bei 10 % der Volllast. Siehe Abbildung 4 für die zeitliche Entwicklung der Energieeffizienzstandards. Diese haben auch spezifische Grenzwerte für den Energieverbrauch, wenn keine Last vorhanden ist oder sich das Endprodukt im Standby-Modus befindet.

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Abbildung 4:Zeitleiste für Energieeffizienzstandards (Quelle CUI)

Die Energieeffizienz hat in letzter Zeit von Fortschritten in der Halbleiterprozesstechnologie profitiert, wobei sich Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) als gut geeignet für Leistungsumwandlungsanwendungen erwiesen haben.

Der letzte Aspekt der Zulassungen betrifft die Anfälligkeit eines Netzteils für die Auswirkungen externer elektromagnetischer Störungen und auch, ob das Netzteil selbst EMI über akzeptablen Werten erzeugt. Es gelten die Standards FCC Part 15 Class B, CISPR 32 und IEC 61204-3.

Die Auswahl eines externen Netzteils muss keine Fehlaufgabe sein. Eine gründliche Überprüfung der Stromversorgungsanforderungen und ein sorgfältiger Vergleich der Datenblattfunktionen können das Projekt erheblich vereinfachen.